JPH04177765A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路の素子や大面積液晶表示装置
の駆動素子として用いられる絶縁ゲイト型電界効果トラ
ンジスタのゲイト絶縁膜、および基板上に設けられる薄
膜半導体装置の絶縁膜に関する。

〔従来の技術〕

化学的気相法等によって作製された絶縁体膜を利用して
アクティブ素子または半導体集積回路、または誘電体膜
を利用したキャパシタか広く注目されている。

この絶縁膜（キャパシタの誘電体膜も絶縁性であるため
単に絶縁膜または絶縁体膜という）は、従来は化学的気
相法等を用いて形成されるので、その作製雰囲気温度が
最高て４５０°Ｃと低温て形成てき、安価なソーダガラ
ス、ホウケイ酸ガラス等を基板として用いることができ
る。

かかる低温にて絶縁物を作製する他の方法として、プラ
ズマＣＶＤ法や１００％〜８０％のＡｒ原子をスパッタ
用気体として用いたスパッタリンク法によって形成する
酸化珪素膜か知られている。

更に光ＣＶＤ法によって絶縁デー１〜電界効果トランジ
スタのゲート酸化膜である酸化珪素膜を作製することが
試みられている。この場合下地材料の半導体または電極
材料との反応損傷かなく、２×１０１０ｅＶ−’ｃｍ−
２程度の界面準位密度が得られているか、膜作製に必要
とする時間か長く（成膜速度か非常に遅い）、工業的な
応用には不向きてあった。

また水素か用いられ、ホットエレクトロン効果を誘発す
るため、長期特性に問題かあった。

〔従来技術の問題点〕 従来の絶縁膜の問題として半導体層界面においてす１〜
リウム等の不純物や水素か固定電荷となりまた不対結合
手の存在によって界面準位を形成してしまうという問題
かあった。この結果、絶縁ゲイト型電界効果トランジス
タにおいてはしきい値電圧が高くなってしまい半導体装
置としての電気的性能か低くなってしまう。また界面に
固定電荷か存在すると電圧をかけるたびにこの固定電荷
が移動することになるので結果として半導体装置の信頼
性か低くなってしまうという問題がある。

また従来はガラス基板上に半導体層を直接形成していた
か、後の工程である熱アニール時なとにガラス基板から
不純物か半導体層に拡散するという問題か生しる。とく
に基板として安価なソーダガラス等を用いた場合、基板
からのすＩ・リウムイオンの拡散が重大な問題となる。

この問題を解決する方法としてガラス基板上に酸化珪素
膜をバッファ層として成膜する方法かあるか、不純物の
拡散を完全に防止することはできす。また半導体層との
界面における界面準位の形成という新たな問題か発生し
てしまっていた。

〔発明の目的〕

本発明は、不純物の拡散を防止し、かつ固定電荷、不対
結合手の存在しない界面準位の低い絶縁膜を有する信頼
性の高い半導体装置の構成を発明することを発明の目的
とする。

〔発明の詳細な説明〕

本発明の第１は、基板上に設けられた絶縁ゲイ１〜型半
導体装置において、界面準位か低く、電気的安定性に優
れたゲイト絶縁膜を実現するためにゲイト絶縁膜例えば
酸化珪素膜中にリンを１×１０’　９−５　Ｘ　１０２
１０２Ｏ’好ましくは１×１Ｏ２０〜３×１０２０ｃＦ
’含ませ、いわゆるリンガラスを形成したこと特徴とす
るものである。

リンの存在によって水素イオン、不純物であるナトリウ
ムイオン等の不純物をゲッタリング（取り込んむしまう
）し、これら不純物イオンの拡散を防止し、固定電荷の
発生を抑えるのである。

この場合、リンの他にボロン、炭素窒素、ホウ素等を用
いることかでき、また絶縁膜としては酸化珪素膜でなく
上記不純物の添加されたアルミナ＝　５− を用いることかできる。

一電型を付与する不純物であるポロンが半導体層中に拡
散すると、半導体層か不本意に一導電型になってしまう
ので、半導体層への不純物の混入はできるたけ避けなけ
れはならない。

よって、絶縁膜中におけるリンまたはホロンは５×１０
２０ｃｍ−３以下であることが望ましい。

なお、本発明の構成かＤＲＡＭ　（ダイナミックメモリ
）等の誘電体膜であるキャパシタに用いることかできる
ことはいうまでもない。

本発明の第２は、基板上に設けられた絶縁ゲイト型半導
体装置において、さらに界面帖位の低いゲイト絶縁膜を
実現するためにゲイト絶縁膜を複数層によって構成する
ものである。

例えば２層によってこのゲイト酸化膜を構成する場合、
チャンネル形成領域を形成する半導体層に接する第１の
層はなんら人為的に不純物を添加しない酸化珪素膜を用
い、この第１の酸化珪素膜上に設けられる第２の酸化珪
素膜にはリンを１×１０２０ｃｍ−３以上含ませるもの
である。

この場合、リンの拡散にたいしては第１の人為的に不純
物の混入されていない酸化珪素膜かブロッキング作用を
し、第２のリンまたはボロンが高濃度に含まれた酸化珪
素膜か不純物に対しての強いケッタリング効果を生じる
ので、絶縁ゲイト型半導体装置の電気的安定性と信頼性
を実現することかできる。

なお、この第１の酸化珪素膜に弗素元素を０．０５〜５
原子％混入させることは、珪素の不対結合手や熱アニー
ル時に珪素より分離した水素を中和し、かつ珪素と結合
している水素は弗素と水素結合をするので珪素か固定電
荷になることを防き、結果として界面準位密度を低下さ
せ低いしきい値電圧を得るのに効果かある。

また、本明細書中において、ただ酸化珪素と表現されて
いるものは、なんら人為的に不純物を添加していないも
のをいう。

本発明の第３は、基板上に設けられた絶縁膜として、リ
ンか含まれた酸化珪素膜を用いたものである。

例えばガラス基板上に設けられた半導体装置において、
ガラス基板からの不純物の半導体層への拡散を防ぐため
にリンか含まれた酸化珪素膜をバッファ層としてガラス
基板上に設けると、リンかガラス基板より拡散してくる
不純物のイオン特にナトリウムイオンをケッタリンクし
拡散を防止するので、半導体層にはこれら不純物のイオ
ンか拡散せず高い信頼性を有する半導体装置を実現でき
るものである。

本発明の第４は、基板上に設けられた複数層で構成され
る絶縁層と、該絶縁層上に設けられた半導体層よりなる
半導体装置において、前記複数層で構成される絶縁層の
半導体層に接する少なくとも一層は酸化珪素膜であり、
他の少なくとも一層はリンが含まれた酸化珪素膜である
ことを特徴とする半導体装置である。

例えば、ガラス基板上に設けられた絶縁ゲイト型電界効
果半導体装置において、カラス基板上にリンがＩ　Ｘ　
１０２０ｃＦ３以上含まれた第１の酸化珪素膜と、なん
ら不純物の含まれない第２の酸化珪素膜からなる絶縁層
を設け、この絶縁層上に絶縁ゲイト型電界効果半導体装
置を設けた場合、ガラス基板からの不純物が半導体層に
拡散することに対してのバリアとしてリンが含まれた第
１の酸化珪素膜か作用し、このリンが含まれた第１の酸
化珪素膜中のリンか半導体層に拡散しないよう第２の酸
化珪素膜がバリアとして作用するのである。

この第２の酸化珪素膜に弗素元素を０．０１〜５原子％
混入させることは第２の発明の場合と同様に不対結合手
を中和し界面準位を低くすることに効果かある。なおこ
の弗素元素の他はハロゲン元素であれば用いることかで
き、さらに絶縁膜である任意の酸化珪素膜に混入させて
も効果かある。

なお、以上の本発明の構成はキャパシタ等の誘電体膜に
も適用できることはいうまでもない。

また、本発明のすへての構成において、リンのかわりに
ボロン、窒素、炭素をもちいて酸化珪素膜をボロンガラ
スとしたり、酸化珪素膜中に炭素または窒素を添加して
５ｉ−Ｃ結合、Ｓ　ｉ　−Ｎ結合をつ（ってもリンを用
いた場合と同様に効果かある。さらに酸化珪素の代わり
にアルミナをもちいてもよい。

以下実施例に従い本発明の構成、作製法、効果を示す。

なお、半導体装置としては、光電変換装置等の薄膜デバ
イスを用いることかできる。

〔実施例１〕 本実施例は、本発明の第１の構成である、基板上に設け
られた絶縁ゲイｌ−型半導体装置において、前記絶縁ゲ
イト型半導体装置のゲイト絶縁膜にリンが含まれている
ことを特徴とする。という構成を、絶縁ケイｌ−型半導
体装置とキャパシタとからなるＤＲＡＭ等の集積回路の
素子のキャパシタとして用いられる酸化タンタル、酸化
チタン等の誘電体、チタン酸バリウム等の強誘電体等の
金属酸化膜に適用した例である。

本実施例においては、かかる絶縁膜をスパッタリンク法
にて行う。スパッタリンクに用いる気体は絶縁膜中にリ
ン（Ｐ）を含ませるために円（３を０．００１〜３０体
積％好ましくは０．１〜５体積９６含み、かつ酸化物、
例えば酸素がアルゴン等の不活性ガスに対し７５体積％
以上さらに好ましくは不活性気体をまったく用す、ＰＨ
３を０．００１〜３０体積％好ましくは０１〜５体積％
含んだ酸化物気体、特に円４３を０．１〜５体積％含ん
だ酸素雰囲気中で金属酸化物または金属のターゲットの
スパッタリングを行い、酸化物絶縁膜を積層法で作製す
ることを特徴とするものである。

スパッタリングはスパッタガスを成膜された被膜の成分
の一部とする気体、例えば酸化タンタル膜にあっては、
酸素を９５％以上、ＰＨ３はＰを１×１０１９〜５Ｘ　
１０２０ｃ＋Ｎ３好ましくは１×１０２０〜３ｘ　１０
”ｃｍ−３膜中に含ませるため０．１〜５体積％として
、酸化タンタルのターゲラＩ・を高周波（ＲＦ）スパッ
タ法を用いて行う。するとターゲラＩ・材料が飛翔中に
このスパッタ用気体である酸素と酸化反応をより完全に
行わしめることがてき、しかも膜に混入されるＰ（リン
）がＮａ等の不純物の侵入を防止するので信頼性の高い
酸化物絶縁膜を作製することができる。更にこれを助長
するため、これに加えてハロゲン元素を含む気体を酸化
物気体に対し０．２〜２０体積％同時に混入することに
より、酸化珪化物に同時に不本意で導入されるアルカリ
イオンの中和、不対結合手の中和をも可能とすることか
できる。

本発明に用いられるスパッタリンク法としてＲＦスパッ
タ、直流スパッタ等いずれの方法も使用できるか、スパ
ッタリンクターケラトか導電率の悪い酸化物、例えばＴ
ａ２０５等の金属酸化物の場合、安定した放電を持続す
るために１３．５６ＭＩ（ｚの高周波ＲＦマグネトロン
スパッタ法を用いることか好ましい。

酸化物気体としては、酸素（０２）、オゾン（０３）、
亜酸化窒素（Ｎ２０）等を挙げることができる。特にオ
ゾンや酸素を使用した場合、酸化物絶縁膜中に取り込ま
れる不用な原子か存在しないので、ピンホールが存在し
ない、誘電損傷の少ない、また絶縁耐圧のばらつきか大
きくない絶縁膜を被形成面上に得ることができた。

また、リンの変わりにボロンを用いてもよいのて円（３
以外にはＢ　２１（、を用いることができる。

酸化物絶縁膜として、酸化タンタル、酸化チタンか代表
的なものである。また強誘電体酸化物としてチタン酸バ
リウム、チタン酸鉛か主なものである。これらに添加す
るためのハロケン元素用には、弗化物気体としては弗化
窒素（ＮＦ３．Ｎ、Ｆ４）、弗化水素（ＨＦ）、弗素（
Ｆ２）、フロンガスを用い得る。

化学的に分解しやすく、かつ取り扱いが容易な弗化物気
体としてはＮＦ３が用いやすい。

塩化物気体としては、四塩化炭素（ＣＣＩ４）、塩素（
ｃ１２）、塩化水素（ＨＣＩ）等を用い得る。

またこれら例えば弗化窒素の量は、酸化物気体例えば酸
素に対して０．２〜２０体積％とした。これらハロゲン
元素は熱処理によって酸化物絶縁物中のす）・リウム等
のアルカリイオンとの中和、金属の不対結合との中和に
有効であるが、同時に多量すぎると、絶縁膜の主成分を
気体とする可能性を内在するためよくない。一般には被
膜中には全元素数の０．０１〜５原子％のハロゲン元素
を混入させた。

スパッタ用の気体としてのオゾンの使用は、オシンか○
ラジカルに分解されやすく、単位面積当たりのＯラジカ
ル発生量が多く、成膜速度向上に寄与することができた
。

上記に記したのは、スパッタ時の雰囲気中にＰＨ３等を
添加する方法であるが、雰囲気を酸化性気体例えば酸素
１００％の雰囲気中においてＰ（リン）またはボロンか
ｌＸｌ０１９〜５Ｘ１０”ｃｍ　’の濃度で添加された
ターゲットを用いて酸化物絶縁膜を形成することがてき
る。これは酸化物絶縁膜中にリンまたはボロンをｌＸｌ
Ｏ１９〜５Ｘ　１０２０ｃｍ−３好ましくはＩＸ　１０
”　〜３Ｘ　１０”ｃｍ−”含ませるためである。

以下に実施例の詳細を説明する。

まず、シリコン半導体上に酸化タンタル膜を円１３が添
加された酸素雰囲気中におけるスパッタ法によって形成
し、その上に１ｍｍφのアルミニウム電極を電子ビーム
蒸着で形成し、電気特性を調べた結果を第１図に示す。

第１図に示すのは、ＢＴ　（バイアス−温度）処理を施
し、ゲイト電極側に負のバイアス電圧を２×１０６Ｖ／
ｃｍ　、　１５０°Ｃで３０分加え、さらに同−条件不
一　１４　− て正のバイアス電圧を加えた場合のそれらの差すなわち
フラットバンド電圧のスレ（ΔＶＰＢ）と円］３の体積
９６とＰＨ３１０□の関係を示したグラフである。

フラットバンド電圧とは絶縁膜中の固定電荷の影響を打
ち消すのに必要な電圧であり、この電圧か低い程絶縁膜
としての電気的安定性、信頼性が高いことになる。

電圧を加えた時にフラットバンド電圧ＶＦＲか変動する
ということは、それたけ電気的に不安定であるというこ
とを示している。

第１図より明らかなようにＰＨ，が０体積９６の場合△
ＶＦＢが３ｖあった。しかしこの成膜をＰＨ，か５体積
％、酸素が９５体積％の雰囲気中で行うと０゜５Ｖ以下
しかなかった。さらにこれにハロゲン元素を少しても添
加すると、その値はさらに数分の−に急激に減少した。

以上の効果は絶縁膜中に不可避に混入してしまうＮａ等
の不純物に対してＰがケッタリング作用をし、固定電荷
の発生を抑えるためであると考えられる。

またＰ＋（３を５％より多くしていった場合は、半導体
装置に本発明を応用した場合に半導体層へのリン（Ｐ）
の拡散し、シリコン基板かんＮ型となってしまうので、
素子間のリーク等の問題か生じてしまい、半導体装置と
しては不適当になってしまう。

〔実施例２〕 本実施例は実施例１と同様に本発明のＮ！　Ｉの構成を
シリコン基板上に設けられる絶縁ゲイト型半導体装置の
キャパシタに用いたものである。

第２図に本実施例の絶縁膜の作製工程を示す。

本実施例においては、基板材料としてガラスを基板（１
）として用いた。この基イ反（１）上に０２のみのスパ
ッタ法により下側電極（２）をアイランド状に形成し、
第１図（Ａ）の状態を得る。

その作製条件は以下の通りである。

基板温度　　　　　　３５０°Ｃ 反応時圧力　　　　　０．０６ｔｏｒｒＲｆパワー（１
３，５６汎１Ｈｚ）　　１００１’１夕−ケラト　　　
　　金属タンタル 使用ガス　　　　　　０２ 膜厚　　　　　　　　２０００人 またアイランド状に形成する際、実施例ではメタルマス
クを使用したが、公知のフォ１〜リソクラフィ技術を使
用してもよい。

この上に本発明方法による酸化タンタルの絶縁膜（３）
を作製した。その条件を以下に示す。

ターゲット　Ｔａ２０５　　９９．９９％反応ガス　　
円（３０，］〜５体積％ ０２９５〜９９，９体積％ 反応圧力　　　　　　　　０．０５ｔｏｒｒＲｆパワー
　　　　　　　　５００Ｗ 基板温度　　　　　　　１００°Ｃ 基板ターゲット間距離　１５０ｍｍ 次に、上側電極（４）としてＡｔを電子ビーム蒸着法に
より形成し、キャパシタを完成させた。

第３図は、スパッタ時の雰囲気におけるＰｌ（３の体積
％と絶縁耐圧の関係をを示す。

絶縁耐圧の測定方法は、踊ｍφのＡｌ電極で測定される
リーク電流が１μＡを越えた時の電圧を絶−］　７　− 縁耐圧とした。

試料によりバラツキかあるため、図中においてはＸ（中
央の・印）、σ（分散ソクマ値）（上下限）を示す。こ
の耐圧は成膜時の雰囲気における円４３の体積％が１％
以上となると急激に高くなり、またσ値も小さくなって
いる。そのためＰＨ３の添加は成膜時に酸素雰囲気中に
１体積％以上とした方かよいことかわかる さらにこれに加えてＮＦ２等を酸素に対して０．２〜２
０体積％添加するとさらに電気的安定性と信頼性か向上
する。

しかしなからＰＨ３の添加量を５体積％以上とするとこ
の絶縁膜を半導体装置に応用した場合、半導体層へのリ
ンの拡散の問題か生じ半導体装置の電気的特性並びに信
頼性の低下を招き問題かあった。

また、スパッタリングに用いる材料は全て高純度のもの
か好ましい。例えは、スパッタリングターゲラ）・は４
Ｎ以上の酸化タンタル、酸化チタン、チタン酸バリウム
、チタン酸鉛か最も好ましい。

同様にスパッタリングに使用するガスも高純度（５Ｎ以
上）の物を用い、不純物か絶縁膜中に混入することを極
力避けた。

「実施例３」 本実施例は本発明の第１の構成をスパッタ法によって得
る例である。

本実施例は、リンが添加されたターゲットを用いること
により水素を全く用いないスパッタ法によって絶縁ゲイ
ト型半導体装置の酸化絶縁膜を形成するものである 第４図に本実施例を示す。

この実施例はＩ　Ｔｒ／Ｃｅ１ｌのＤＲＡＭ（ダイナミ
ックメモリ）の１つのセルの作製に本発明を用いたもの
である。図面において、半導体基板には１つの絶縁ゲイ
ト型電界効果トランジスタ（４０）がソースまたはドレ
イン（４８）、　　ドレインまたはソース（４９）、ゲ
イｌ−電極（４７）、ゲイト絶縁膜（４６）として構成
されている。更にこのトランジスタの一方のドレインま
たはソース（４９）には下側電極（４１０）　、酸化タ
ンタルの誘電体（４１１）　、上側電極（４１２）より
なるキャパシタ（４２１）を直列させて設けている。こ
れらの外周辺には埋置した絶縁膜（４５）を有せしめて
いる。この構造はスタックド型ＤＲＡＭのメモリセルの
形状を示している。この図面でキャパシタの誘電体膜（
４１１）は酸化タンタルの誘電体膜をリンかｌＸｌＯ１
９〜５Ｘ　１０２０ｃｍ−３添加されたターゲットを用
い、酸素１００％のスパッタ法で被膜形成した。

この酸化タンタルの比誘電率は２７もあり、周波数特性
が高周波まで優れているため、酸化珪素被膜（比誘電数
３．８）と比べて大きい蓄積容量を得ることかできる。

またこの絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ（４０）の
ゲイト絶縁膜は熱酸化法による酸化珪素または酸化珪素
の１００％酸素を用いたスパッタ法の酸化珪素を用いた
。しかしこの保護膜を酸化タンタルにしても、シリコン
半導体との界面準位は２×１０１０ｃｍ−２シかなく、
良好であった。

またこのキャパシタ（４２１）の下側電極（４１０）は
リンが添加されたシリコン半導体を用いて形成した。し
かしこの電極材料は金属タンタル、タンク−１９＝ ステラ、チタン、モリブデンであっても、これらのシリ
サイドであってもよい。

この実施例ては、この下側電極（４１０）上の酸化タン
タル膜（４１１）をリンがＩＸ　１０”〜５Ｘ　１０２
０ｃｍ−３の濃度で添加されたターゲットを用いた酸素
１００％雰囲気のスパッタ法で形成した。更にこの上に
上側電極（４］２）をアルミニウムまたは金属タンタル
とアルミニウムの多層膜で形成してキャパシタ（４２１
）を構成させた。酸化タンタルの厚さは３００〜３００
０人とした。代表的には５００〜１５００人、例えば１
０００人とした。しかしこれは酸化珪素等では比誘電率
か小さいため、メモリセルとしては厚さを約３０人に薄
くしなければならない。しかし本発明方法で形成した酸
化タンタルは比誘電率が大きいため、その厚さは例えば
１０００人とすることかできる。結果として絶縁性に優
れ、またピンホールの存在を少なくすることか可能とな
った。

このため第４図において、絶縁ゲイト型電界効果トラン
ジスタのチャネル長を０．１〜１μｍ例えは０．５μｍ
としてもよく、さらにＩＴｒ／Ｃｅ１ｌの太き＝　２１
− −２０　＝ さて２０μｍ口の中に１つのメモリ（ｌピッｌ−）を作
製することができた。

またこの酸化タンタルの形成の際、水素をまったく含ま
ないスパッタ法で形成し、加えてその上下の電極をも水
素を含まないスパッタ法で形成するため、その成膜中の
水素かその後の熱処理てゲイト絶縁膜にまてドリフト（
拡散）し、ホットキャリアのトラップセンタになってし
まうことを防ぐことも可能となった。

なおリンのかわりにボロンを用いることかできることは
いうまでもない。

本発明方法により、低温プロセスのみて非常に特性の良
い薄膜トランジスタを容易に形成することができた。

またゲイト絶縁膜中に存在するホットキャリアおよび固
定電荷の発生原因を減らすことかてきたので、長期的な
使用において特性変化の少ない信頼性の良いトランジス
タ、キャパシタを提供することか可能となった。

本発明に用いるキャパシタまたは絶縁ゲイト型−２２＝ トランジスタの形状はスタガー型を用いず、逆スタカー
型または縦チャネル型のトランジスタを用いてもよい。

また１〜ランジスタの珪素に非単結晶ではなく単結晶を
用いたモノリシックＩＣの一部に用いられる絶縁ゲイト
型電界効果トランジスタとしてもよい。

またキャパシタも一層の誘電体のキャパシタではなく積
層型の多層構造としてもよく、また電極を上下で挟む構
造ではなく左右で挟む横並へ方式にしてもよい。これら
は本明細書中の全ての実施例についていえることはいう
までもない。

〔実施例５〕 本実施例は本発明の第３の構成である、基板上に設けら
れた絶縁膜であるリンか含まれた酸化珪素膜と、該リン
か含まれた酸化珪素膜上に設けられた半導体層からなり
半導体装置を、ガラス基板上に設けられた絶縁ゲイト型
半導体装置に応用したものである。

本実施例は、絶縁性基板上に設けられたリンが含まれた
酸化珪素膜と該酸化珪素膜上に設けられた絶縁ゲイト型
電界効果ｌ・ランジスタであって、前記酸化珪素膜と前
記絶縁ゲイト型電界効果トランジスタのゲイト絶縁膜の
少なくとも一方にハロゲン元素とリンが混入されている
ことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置であって、水
素または水素を含有した不活性気体雰囲気中における基
板上へのスパッタ法による半導体膜の成膜工程と、前記
スパッタ法によって得た半導体膜形成の前または後に弗
化物気体と円］３と酸化物気体または弗化物気体と酸化
物気体とＰＨ３を含有した不活性気体の雰囲気によりス
パッタ法により酸化珪素膜を形成し前記半導体膜の一部
を絶縁ゲイ１〜型半導体装置のチャネル形成領域として
構成し前記酸化珪素膜の一部をゲイト絶縁膜としたもの
である。

また前記半導体膜の一部をチャネル形成領域として構成
する手法の一例として、水素または水素を含有した不活
性気体雰囲気中によるスパッタで得られた非晶質性（ア
モルファスまたは極めてその状態に近い）半導体膜（以
下ａ−３ｉという）を４５０°Ｃ〜７００°Ｃ代表的に
は６００°Ｃの温度を半導体膜に与えて少なくともチャ
ネル形成領域を結晶化させることにより本発明の絶縁ゲ
イト型半導体装置は得られる。

この結晶化の後の半導体膜は平均の結晶粒径が５〜４０
０人程度で程度、かつ半導体膜中に存在する水素含有量
は５原子％以下である。また、この結晶性を持つ半導体
膜は格子歪みを有しておりミクロに各結晶粒の界面か互
いに強く密接し、結晶粒界でのキャリアに対するバリア
を消滅させる効果を持つ。このため、単に格子歪みの無
い多結晶の結晶粒界では、酸素等の不純物原子か偏析し
障壁（バリア）を構成しキャリアの移動を阻害するが、
本発明のように格子歪みを有しているとバリアが形成さ
れないか又はその存在が無視てきる程度であるため、そ
の電子の移動度も５〜３００ｃｎｆ／Ｖ・Ｓと非常に良
好な特性を有していた。

また、プラズマＣＶＤ法により得られた半導体膜はアモ
ルファス成分の存在割合が多く、そのアモルファス成分
の部分が自然酸化され内部まで酸化膜が形成される、一
方スバッタ膜は緻密であり一　２４− 自然酸化が半導体膜の内部にまで進行せず、表面のごく
近傍付近しか酸化されない、この緻密さ故に格子歪みを
持つ結晶粒子同士がお互いに強く押し合うことになり、
結晶粒界面付近でギヤリアに対するエネルギーバリアか
形成されないという特徴を持つ。

第５図に本実施例において作製した薄膜ｌ・ランジスタ
の作製工程を示す。

ます、ガラス基板（１１）上にリンを含んだ５１０２膜
（１２）を以下の条件においてマクネトロン型ＲＦスパ
ッタ法により１１００ｎ〜２μｍ本実施例においては２
００ｎｍの厚さに形成した。

反応ガス　　０２９２体積％ ＮＦ３５体＠９６ ＰＨ３３体積％ 成膜温度　１５０℃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力　４００Ｗ圧力　０．５
Ｐａ シリコンをターゲットに使用 また、ＰＨ３の濃度は０．０１％〜ｌＯ％の範囲で、Ｎ
Ｆ３は０〜２０％の範囲で添加可能である。

さらにその上にマグネトロン型ＲＦスパッタ装置によっ
てチャンネル形成領域となるａ−３ｉ膜（１３）を１１
００ｎの厚さに成膜し第５図（ａ）の形状を得た。

成膜条件は、不活性気体であるアルゴンと水素とＰＨ３
の雰囲気下において、 Ｈ□／（Ｈ□＋Ａｒ）　−８０％（分圧比）成膜温度　
１５０°Ｃ ＲＦ（１３，５６ＭＩ（Ｚ）出力　４００Ｗ全圧力　０
．５Ｐａ とし、ターゲットは単結晶シリコンターゲットを用いた
。

この後、４５０°Ｃ〜７００°Ｃの温度範囲特ｉ：ｍ６
００’ｃノ温度て１０時間の時間をかけ水素または不活
性気体中、本実施例においては窒素１００％雰囲気中に
おいてａ−３ｉ膜（１３）の熱結晶化を行い、結晶性の
高い珪素半導体層を作製した。尚前記チャンネル形成領
域となるａ−３ｉ膜（１３）をスパッタ法によって成膜
する際、非単結晶シリコンターゲットを用い、投入電力
パワーを小さくすると粒径が無視できるほと小さく、か
つ格子歪みを有する緻密な結晶状態か得られる。

このような方法により形成された半導体膜中に存在する
酸素不純物の量はＳＩＭＳ分析により２Ｘ　１０　”ｃ
ｍ−３、炭素は５ＸｌＯ”ｃｍ−３であり、水素の含有
量は５％以下であった。このＳ　Ｉ　Ｎ＝ｉ　Ｓを使用
した不純物濃度の値は半導体膜中て深さ方向にその濃度
が変化しているので、深さ方向の濃度を調へその最小の
値で記述した。これは、半導体膜の表面付近には自然酸
化膜か存在しているからである。また、この不純物の濃
度の値は結晶化の処理後であっても、変化はしていなか
った。

この不純物濃度は当然ながら低い値である程、半導体装
置として使用する際には有利であることは明らかである
が、本発明の半導体膜の場合、結晶性を持つと同時に格
子歪みを持っているので結晶粒界でバリアか形成されず
、２　Ｘ　ｌ　０２０ｃｍ−３程度の酸素不純物濃度か
存在していても、キャリアの移動を妨害する程度は低く
、実用上の問題は発生しなかった。

この半導体膜は第６図に示すレーサラマン分析のデータ
よりわかるように、結晶の存在を示すピークの位置が、
通常の単結晶シリコンのピーク（５２０ｃｍ−’　）の
位置に比べて、低波数側にシフトしており、格子歪みの
存在をうらずけていた。

なお、第６図において（６４）はスパッタによって第５
図（１３）を成膜する際に＋（２／（Ｈ２＋Ａｒ）−８
０９６の場合、（６３）はＨ２／　（Ｈ２＋Ａｒ）−５
０％の場合、（６２）は１−１２／（Ｈ２＋Ａｒ）−□
２０％の場合、（６１）はＨ２／（Ｈ２＋Ａｒ）−ｏ％
の場合である。

また、本実施例においてはシリコン半導体を使用して本
発明の説明をおこなっているか、ゲルマニウム半導体や
シリコンとゲルマニウムの混在した半導体を使用するこ
とも可能であり、その際には熱結晶化の際に加える温度
を１００°Ｃ程度さげることか可能であった。

さらにより緻密な半導体膜あるいは酸化珪素膜を形成す
るために前記水素雰囲気あるいは水素と不活性気体との
雰囲気中てのスパッタの際、基板あるいは飛翔中のスパ
ッタされたターゲット粒子−２８＝ に対して１１０００ｎ以下の強力な光またはレーザ照射
を連続あるいはパルスで加えてもよい。

この熱結晶化させた珪素半導体膜に対してデバイス分離
パターニングを行い第１図（ａ）の形状を得、この半導
体膜の一部を絶縁ゲイト型半導体装置のチャネル形成領
域として構成させた。

つぎに酸化珪素膜（ＳｉＯ□Ｘ１５）を５０ｎｍ　〜２
０Ｏｎｍ本実施例においては１０００ｍの厚さにマグネ
トロン型ＲＦスパッタ法により以下の条件で成膜した。

酸素　９２体積％　　ＮＦ３５体積％ ＰＨ３ｓ体積％ 圧力０．５ｐａ 成膜温度１００°Ｃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力４００Ｗターゲツトとし
てはシリコンターケラトまたは合成石英のターゲットを
使用した。

ここにおいても非晶質シリコンターゲットを用い投入パ
ワーを落とすと、緻密な固定電荷の存在しにくい酸化珪
素膜を得ることかできる。

また、ターゲット中にリンをｌＸｌ０１ｇ〜５Ｘ　１０
”ｃｍ−３予め混入させておき、酸素１００％雰囲気中
のスパッタ法で成膜すれば、成膜された酸化珪素膜中に
水素が混入されることを防ぐことかでき、絶縁膜中に存
在する水素かその後の熱アニール工程において、ホット
キャリアのトラップセンタになってしまうことを防ぐこ
とかできる。

またハロゲン元素を含む気体を酸化物気体に対し０．２
〜２０体積％同時に混入することにより、酸化珪化物に
同時に不本意で導入されるアルカリイオンの中和、珪素
不対結合手の中和をも可能とすることかできる。

゛　本発明の構成を得るために用いられるスパッタ法と
してＲＦスパッタ、直流スパッタ等いずれの方法も使用
できるか、スパッタターケラトか導電率の悪い酸化物、
例えばＳｉＯ□等の場合、安定した放電を持続するため
にＲＦマグネトロンスパッタ法を用いることか好ましい
。

また酸化物気体としては、酸素、オゾン、亜酸化窒素等
を挙げることかできる。

またハロゲン元素を含む気体として、弗化物気体として
は弗化窒素（ＮＦ３．　Ｎ２Ｆ４）、弗化水素（ＨＰ）
。

弗素（Ｆ２）、フロンガスを用い得る。

一般には珪素に対して０．１〜５原子９６のハロゲン元
素を膜中に混入させた。

スパッタリングに用いる材料は全て高純度のものが好ま
しい。例えは、スパッタリンクターケラトは４Ｎ以上の
合成石英、またはＬＳＩの基板に使用される程度に高純
度のシリコン等が最も好ましく、リンを添加する場合も
これら純度の高いターケラトに添加するとよい。

同様にスパッタリンク゛に使用するガスも高純度（５Ｎ
以上）の物を用い、不純物か酸化珪素膜中に混入するこ
とを極力避けた。

なお本実施例のように弗化物気体が添加された酸素雰囲
気中におけるスパッタ法で成膜したゲート絶縁膜である
酸化珪素膜にエキシマレーザ光を照射し、フラッシュア
ニールを施し、膜中に取り入れた弗素等のハロゲン元素
を活性化し、珪素の不完全結合手と中和させ、膜中の固
定電荷の発生原因を取り除くことは効果かある。

この時、エキシマレーザのパワーとショト数を適当に選
ぶことにより上記ハロゲン元素の活性化とゲート絶縁膜
下の半導体層の活性化を同時に行うこともできる。

この酸化珪素膜（１５）上にＣＶＤ法により一導電型を
付与する不純物として本実施例においてはリンが混入さ
れた半導体層を形成し所定のマスクパターンを使用して
、フォ１〜リソグラフィ加工を施し、このドープされた
半導体膜をゲイト電極翰として形成し第１図（ｃ）の形
状を得た。

この−導電型を付与する不純物が混入された半導体層の
形成法としてはスパッタ法、ＣＶＤ法等の成膜法を用い
ることかできる。

このゲイＩ・電極はドープされた半導体層に限定される
ことなくその他の材料を使用可能である。

次にこのゲイト電極１２［１またはゲイト電極シｌをエ
ツチングする際に使用したマスク等をマスクとして、セ
ルファラインに不純物領域（１４）及び（１４”）をイ
オン打ち込み技術を使用して形成した。

これにより、ゲイト電極（２０）の下の半導体層（１７
）は絶縁ゲイト型半導体装置のチャンネル領域として構
成された。

次にこれらの全て上面を覆って層間絶縁膜（１８）を形
成した後に、ソース、ドレイン電極のコンタク）・用の
穴をあけ、その上面にスパッタ法により金属アルミニウ
ムを形成し、所定のパターニングを施し、ソース、ドレ
イン電極（１６）、（１６’）を構成し、絶縁ゲイト型
半導体装置を完成させた。

本実施例の場合、チャンネル領域を形成する半導体層（
１７）とソース（１４）、ドレイン（１４・）を形成す
る半導体層とが同一物で構成されており、工程の簡略化
をはかれる。また同じ半導体層を使用しているため、ソ
ース、ドレインの半導体層も結晶性を持ち、キャリアの
移動度か高いのでより高い電気的特性を持つ絶縁ゲイＩ
・型半導体装置を実現することができた。

最後に水素１００％雰囲気中において３７５°Ｃの温度
で水素熱アニールを３０ｍ１ｎ行い本実施例を完成させ
た。

この水素熱アニールは多結晶珪素半導体中の粒界ポテン
シャを低減させ、デバイス特性を向上させるためである
。

また本実施例において作製した薄膜トランジスタ第１図
（ｄ）のチャンネル部（１７）の大きさは１００Ｘ】０
０μｍの大きさである。

本実施例において作製した多結晶珪素半導体層を用いた
薄膜トランジスタの特性としては、第７図に示すような
ＩＤ−ＶＤ特性、以下の＄１表に示す緒特性を得ること
ができた。

第１表 Ｓ値というのは、デバイスの特性を示すドルイン電圧（
ＶＤ）−１０Ｖにおけるゲート電圧（ＶＧ）とドレイン
電流（ＩＤ）の関係を示す第７図に示す曲線の立ち上が
り部分の［ｄ（ＩＤ）／ｄ（ＶＧ）］の値の最小値であ
り、この値か小さい程（ＶＧ−ＩＤ）特性を示す曲線の
傾きの鋭さが大きく、デバイスの電気的特性か高いこと
を示す。

ＶＴはしきい値電圧を示す。

μはキャリアの移動度を示し単位は（ｃｍ２／Ｖ・Ｓ）
である。

ｏｎ１０ｆｆ特性というのは、第７図に示す（ＶＧ−Ｉ
Ｄ）特性を示す曲線におけるＶＧ＝３０ボルトにおける
ＩＤの値とＩＤの最小値の値との比の対数値である。

なお、第８図に移動度μとチャンネル形成領域（第５図
（ｄ）の（１７））となるａ−３ｉ膜（第５図（ａ）の
（１３））をマグネロン型ＲＦスパッタ法によって作製
する際における雰囲気の水素分圧との関係を示すが、こ
の第８図を見ると明らかなように水素分圧を好ましくは
１００％とすることか望ましいことがわかる。

〔実施例６〕 本実施例は、本発明の第２および第４の構成をとった実
施例であり、実施例３におけるガラス基板上に設けられ
た下地絶縁膜とゲート絶縁膜を酸化珪素膜とリンを含む
酸化珪素膜の２層で構成したものである。

本実施例の作製工程を第９図に示す。

本実施例の作製法は、実施５と同様な工程において、ガ
ラス基板（１１）上にまずリンがｌ　Ｘ　１０２１０２
Ｏ’以上含まれるように、ＰＨ３か０．１体積パーセン
ト以上本実施例においては１０％体積パーセント含まれ
る酸素雰囲気中において以下の条件においてマグネトロ
ン型ＲＦスパッタ法によってリンガラス（２１）を１０
０人〜２μｍ本実施例においては０．５μｍに成膜した
。

成膜温度　１５０°Ｃ ＲＦ（１３，５６ＭＨｚ）出力　４００Ｗ圧力　０．５
Ｐａ 溶融シリコン基板をターゲラＩ・に使用この際ＰＨ３を
用いずにターゲット中にリンを■Ｘ　１０２０ｃｍ−３
以上混入させたものを用いると、絶縁膜中に水素が入り
こまず、水素が絶縁膜中においてトララップセンタとな
ることを防ぐことかでき効果かある。またターゲットと
して非晶質珪素インゴットを用いてもよい。

そして、前記リンガラス（２１）上に酸化珪素膜（１２
）を以下の条件てマグネトロン型ＲＦスパッタ法に＝　
３７− よって０．５〜２μｍ本実施例においては２μｍの厚さ
に成膜した。

０２１００、％ 成膜温度　１５０°Ｃ ＲＰ（１３，５６ＭＨｚ）出力　４００Ｗ圧力　０．５
Ｐａ 単結晶シリコンのターゲットに使用 この際酸素雰囲気中に実施例５と同様にＮＦ３等のハロ
ゲン元素を含む気体を０．２〜２０％添加してもよい。

また、ターゲットに非晶質シリコン基板のターゲットを
用いると緻密で電気的にも安定な酸化珪素膜を得ること
かできる。

半導体層（１３）の作製法は実施例５と同様である。

ここて、第９図（ａ）の状態を得、デバイス分離パター
ニングを行い第９図（ｂ）の形状を得た。

つぎに、ゲート絶縁膜としてまず酸化珪素膜を前記酸化
珪素膜（１２）と同様にして成膜する。

つぎに２層めのゲート酸化膜として、リンがＩ　Ｘ　１
０２１０２Ｏ”以上台まれるように、前記リンガラス（
２１）と同様にして（２２）を成膜し、実施例５と同様
の工程を経て第９図（Ｃ）の形状を得た。

最後は実施例５と同様にして本実施例を完成させた。（
第９図（ｄ）） この薄膜トランジスタの電気的特性としては、下記に示
す第２表のような結果が得られた。

第１表 上記表よりわかるように、実施例５の特性とＳ値、移動
度にはそれ程の変化がみられないか、しきい値電圧ＶＴ
、か実施例５に比較して極めて小さくなり、ｏｎ１０ｆ
ｆ特性か向上していることかわかる。

また、実施例５においては、最後の水素アニール時に壊
れてしまう場合か多々あったか、本実施例においては、
それが非常に少なかった。

これは、本実施例においては電気的不安定性の要因とな
るナトリウム等の固定電荷をリンかゲッタリンクし、か
つ半導体層にリンか拡散することもないのでさらに電気
的安定性か増したためであると考えられる。

本実施例において用いたリンの変わりに前記したボロン
等を用いてもよいことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例１における電気的特性をしめしたグラ
フである。 第２図は本実施例２の作製工程を示した図である。 第３図は本実施例３における電気的特性をしめしたクラ
ブである。 第４図は本実施例４の構造を示した図である。 第略図は本実施例５の作製工程をしめした図てぎ ある。 第６図は本実施例５の多結晶半導体層と比較例のラマン
スペクトルを示したグラフである。 第呑図は本実施例５のＩＤ−ＶＤ特性を示したグラフで
ある。 第苧図は本実施例５において、スパッタ時の水と 素分圧を変化させた場合における（μ）移動度の値の変
化を示したグラフである。 第９図は本実施例６の作製工程を示した図である。 （１）、　（１１）　　・・・ガラス基板（３）、　（
４５）、　（２１）　　・・・絶縁膜（旧）・・・半導
体基板 （４６）、　（１５）、　（２２）・・・ゲイト絶縁膜
（４８）、　（４９）、　（１６）、　（１６）・・・
ソース電極、ドレイン電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に設けられた絶縁ゲイト型半導体装置におい
   て、前記絶縁ゲイト型半導体装置のゲイト絶縁膜にリン
   が含まれていることを特徴とする半導体装置。 ２、基板上に設けられた絶縁ゲイト型半導体装置におい
   て、前記絶縁ゲイト型半導体装置のゲイト絶縁膜は複数
   層よりなり、前記複数層よりなるゲイト絶縁膜の少なく
   とも一層はリンが含まれ、このリンが含まれている層は
   チャンネル形成領域となる半導体層と接していないこと
   を特徴とする半導体装置。 ３、基板上に設けられた絶縁膜である酸化珪素膜と、該
   酸化珪素膜上に設けられた半導体層よりなる半導体装置
   において、前記酸化珪素膜にリンが含まれていることを
   特徴とする半導体装置。 ４、基板上に設けられた複数層で構成される絶縁層と、
   該絶縁層上に設けられた半導体層よりなる半導体装置に
   おいて、前記複数層で構成される絶縁層の少なくとも一
   層はリンが含まれた酸化珪素膜であり、このリンが含ま
   れた酸化珪素膜は半導体層と接していないことを特徴と
   する半導体装置